Se detectan por primera vez agujeros negros devoradores de estrellas de neutrones

El 5 de enero de 2020, los astrofísicos escucharon un chirrido desde una parte distante del cosmos. El sonido fugaz fue diferente a cualquiera que hubieran escuchado antes y fue causado por una gran onda en el espacio-tiempo, una onda gravitacional, que se extendió por el universo desde más de 900 millones de años luz de distancia, bañando la Tierra y haciendo ping. detectores. Chirrido.

Luego, 10 días después, escucharon otro chirrido similar. Un gemelo cósmico. Las ondas gravitacionales habían vuelto a hacer ping a los detectores de la Tierra. Chirrido.

Después de un análisis cuidadoso, se ha identificado que las dos señales emanan de eventos extremos nunca antes vistos en el espacio profundo: la colisión entre un agujero negro y una estrella de neutrones.

El par de colisiones (o, menos poéticamente, “fusiones”) se detallan en un nuevo estudio publicado en Astrophysical Journal Letters el martes, con más de 1.000 científicos de las colaboraciones LIGO / Virgo y KAGRA, un esfuerzo multinacional para caza de ondas gravitacionales. Los dos eventos recién descritos se denominan GW200105 y GW200115, por la fecha en que fueron descubiertos, y proporcionan la primera evidencia definitiva de una fusión elusiva.

Antes de la detección dual, los astrónomos solo habían encontrado agujeros negros fusionándose con agujeros negros y estrellas de neutrones fusionándose con estrellas de neutrones. “Hemos estado esperando y esperando, en algún momento, detectar un sistema con uno de cada uno”, dijo Susan Scott, astrofísica de la Universidad Nacional de Australia y miembro de la colaboración OzGravthe LIGO. Ahora lo tienen.

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Durante los dos últimos años, se sugirió que Es posible que se haya detectado una colisión entre una estrella de neutrones y un agujero negro. – pero uno de los objetos parecía un poco inusual. Era demasiado grande para ser una estrella de neutrones y demasiado pequeño para ser un agujero negro. El objeto desconocido sigue siendo un misterio, lo que significa que GW200105 y GW200115 pasan a la historia.

“Estas son las primeras detecciones realmente confiables de la fusión de una estrella de neutrones con un agujero negro”, agrega Rory Smith, astrofísico de la Universidad de Monash, Australia, y miembro de la colaboración LIGO.

Alegre

Un breve interludio antes de continuar.

Los agujeros negros y las estrellas de neutrones son objetos extraños. Son las reliquias de estrellas muertas y se forman al final de la vida de una estrella. Dependiendo de cuán masiva sea la estrella, depende de cómo llegue a su fin su vida. Si es una estrella pequeña (un pequeño ser “unas 10 veces más masivo que nuestro sol”) se colapsa en una “estrella zombi” increíblemente densa, conocida como estrella de neutrones. Si es una estrella más grande, colapsa en un agujero negro. Ambos objetos son bien conocidos y estudiados, pero aún contienen muchos misterios.

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Por un lado, no podemos ver dentro de ellos. Este es un rasgo muy discutido de los agujeros negros. Su gravedad es tan fuerte que cuando la luz entra, más allá del llamado horizonte de eventos … nunca vuelve a salir. Pero los científicos tampoco saben qué está pasando en el corazón de una estrella de neutrones. Sospechan que algo de física realmente extraña podría estar ocurriendo dentro de ambos objetos: las leyes de la física parecen romperse dentro de ellos.

Observar los objetos a través de ondas gravitacionales es “una especie de paleontología estelar”, según Smith, porque puede informarnos sobre su historia evolutiva y los entornos en los que se forman.

Los chirridos son fundamentales para esto. Cuando LIGO, en los Estados Unidos, y Virgo, en Italia, detectan un “chirrido”, están mirando hacia atrás en el tiempo. Dentro del chirrido hay una gran cantidad de información que puede decirles a los astrofísicos cuán masivos son los objetos que chocan y la forma en que giran. Estos datos son fundamentales para comprender cómo los dos objetos se encerraron en una danza de la muerte entre sí.

“Al estudiar estos sistemas, llegamos a saber mucho más sobre la vida y la muerte de los agujeros negros y las estrellas de neutrones en estos sistemas binarios”, dijo Scott.

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Materia estelar

GW200105, el chirrido detectado el 5 de enero de 2020 y GW200115, el chirrido detectado el 15 de enero de 2020 son eventos similares, pero los objetos que colisionaron tienen propiedades ligeramente diferentes. Esos nombres científicos sofocantes son bastante confusos, así que los hemos apodado Lenny (GW200105) y Carl (GW200115).

Los investigadores dicen que Lenny es el resultado de un agujero negro nueve veces más masivo que la colisión del sol con una estrella de neutrones con aproximadamente 1,9 veces la masa del sol. Carl llegó a través de un agujero negro aproximadamente seis veces más masivo que el sol fusionándose con una estrella de neutrones aproximadamente 1,5 veces más masiva. Tanto Lenny como Carl son bestias completamente diferentes en la actualidad. Las fusiones ocurrieron hace casi mil millones de años lejos de la Tierra y los chirridos solo nos llegaron recientemente.

Cuando decimos “colisionar” o “fusionar” aquí, no estamos del todo seguros de qué sucedió cuando los dos objetos finalmente se unieron. Durante mucho tiempo, rodearon el uno al otro, atrapados por la gravedad del otro. Eventualmente, se unen. Susan Scott describe a Lenny y Carl como “un poco como Pac-Man”, con el agujero negro tragándose la estrella de neutrones.

Otra interpretación artística de la fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones con el agujero negro que roba material de su contraparte.

LIGO-India / Soheb Mandhai

También existe la posibilidad de que el agujero negro “triture” la estrella de neutrones en un proceso conocido como interrupción de las mareas. En este escenario, el agujero negro arrancaría material de la superficie de la estrella de neutrones y lo robaría, creando un disco de escombros alrededor del horizonte de eventos. “Eso debería producir una señal electromagnética”, dijo Scott.

Y una estrella de neutrones triturada es una mina de oro para los astrofísicos. No se puede hacer que el material presente en una estrella de neutrones en un laboratorio y estudiarlo, por lo que este tipo de eventos pueden abrir una ventana para comprender lo que está sucediendo dentro de ellos.

“Observando cómo una estrella de neutrones es separada por un agujero negro, estamos comenzando a aprender cómo se comporta la materia en su estado más denso “, dijo Eric Thrane, astrofísico de la Universidad de Monash y miembro de la colaboración LIGO. Con suficientes detecciones de ondas gravitacionales, puede ser capaz de decodificar sus propiedades.

Eso convierte a Lenny y Carl en la primera de muchas fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros que ayudan a arrojar luz sobre los objetos más extremos de nuestro universo.

“Estas observaciones pueden algún día revelar nuevas leyes de la naturaleza”, dijo Smith.